公路下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁橋設(shè)計(jì)淺析

李智　江克斌

摘 要：在中等跨徑的橋型方案選擇中，鋼桁梁橋因具備建筑高度低、架設(shè)速度快、凸顯景觀效果等優(yōu)勢(shì)被越來越多的建設(shè)者所青睞，本文以京杭運(yùn)河泗陽(yáng)閘橋及接線改造工程中的一二三線船閘橋?yàn)槔?，介紹了該類橋梁的構(gòu)造及計(jì)算要點(diǎn)，希望能對(duì)今后同類型橋梁的建設(shè)提供有益參考。

關(guān)鍵詞：公路橋；鋼橋；桁架橋；結(jié)合梁；橋梁設(shè)計(jì)

1 前言

下承式簡(jiǎn)支鋼桁架橋在鐵路橋梁中應(yīng)用較為普遍，我國(guó)在20世紀(jì)60年代就制定了跨度24～120m的鐵路下承桁梁橋的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，而在公路及市政領(lǐng)域應(yīng)用較少。隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的增加和鋼材防腐技術(shù)的進(jìn)步，在公路領(lǐng)域特別是城市道路中選用鋼桁架橋不僅可以適應(yīng)當(dāng)今快速、重載交通的要求，同時(shí)由于在減小建筑高度、減輕結(jié)構(gòu)自重、縮短橋頭接線等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以在一些特定的橋位與限制條件（滿足通航凈空的同時(shí)滿足橋頭縱坡、高度震區(qū)等）下，該橋型往往會(huì)成為既經(jīng)濟(jì)又美觀的合理選擇。

2 概述

京杭運(yùn)河泗陽(yáng)閘橋及接線改造工程中的一二三線船閘公路橋位于七度震區(qū)，為避免新橋樁基與船閘結(jié)構(gòu)物沖突且同時(shí)滿足通航（二級(jí)航道）和降低橋頭縱坡的要求，主橋需要采用50m左右跨徑的橋梁，混凝土連續(xù)梁由于其建筑高度高、聯(lián)長(zhǎng)長(zhǎng)，不能同時(shí)滿足該處的幾項(xiàng)限制條件；由于該橋臨近縣中心區(qū)域，業(yè)主對(duì)景觀也提出了較高要求，下承式鋼桁架橋方案在此橋位處優(yōu)勢(shì)明顯，橋梁總體布置見圖1～2。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

參照一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，斷面采用分離式雙向四車道，設(shè)計(jì)行車速度60Km/h，人行道寬1.5m。

3.2線路情況

橋梁平面位于直線段上，豎向最大縱坡為2.8%。

3.3橋梁凈空

橋梁凈空按現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中規(guī)定的一級(jí)公路凈空高度的要求執(zhí)行，橋面以上有效車行道凈高不小于5.0m。

3.4設(shè)計(jì)荷載

（1）恒載：恒載根據(jù)鋼桁梁實(shí)際截面與容重計(jì)算，考慮構(gòu)造、拼接和焊縫等結(jié)構(gòu)系數(shù)；

（2）活載：公路-I級(jí)，人群荷載3.5KN/m2；

（3）疲勞計(jì)算沖擊系數(shù)：1+15/（37.5+L）；

（4）制動(dòng)力、縱橫向風(fēng)力：參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）計(jì)算；

（5）溫度荷載：

①系統(tǒng)溫差——按體系升降溫±25℃考慮；

②日照溫差——按照一側(cè)主桁升降溫±5℃考慮。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主橋采用下承式簡(jiǎn)支桁架橋，上部主體結(jié)構(gòu)由2片主桁、聯(lián)接系、橋面系、橋面板四部分組成，主要桿件節(jié)點(diǎn)采用M24高強(qiáng)螺栓連接，設(shè)計(jì)預(yù)緊力240KN。橋面縱坡及預(yù)拱度通過上、下弦桿采用不同節(jié)間長(zhǎng)度形成。

（1）主桁架

主桁是鋼桁架橋的主要承重結(jié)構(gòu)，主要承受豎向荷載。他的圖式很多，按照經(jīng)濟(jì)、構(gòu)造簡(jiǎn)單、有利于標(biāo)準(zhǔn)化與便于制造安裝的選取原則，本橋選擇了鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中常用的帶豎桿的三角形腹桿體系，計(jì)算跨徑49.0m，主桁高度8m（經(jīng)濟(jì)梁高約為跨徑的1/5.5～1/8）；全橋共分為8個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度6.125m（合理的節(jié)間長(zhǎng)度為0.6～0.8h），高跨比為1/6.125，斜腹桿傾角為52.6°（合理傾角為50°左右）。兩片主桁的中心距為11.7m，寬跨比為1：4.2。

主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面，截面寬500mm，高均為580mm；腹桿均采用焊接H形截面，截面寬400mm，高500mm，所有桿件均采用工廠焊接，在工地通過節(jié)點(diǎn)板用高強(qiáng)螺栓拼接。聯(lián)接系桿件多采用H型鋼而非工字鋼，主要是由于本期主要桿件均采用高強(qiáng)螺栓連接，相比之下H型鋼具有寬且平的翼緣，容易滿足要求且便于施工。

（2）聯(lián)接系

聯(lián)接系分為縱向與橫向兩種，主要作用是將兩片主桁架連接起來，使橋跨結(jié)構(gòu)從體系上成為穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)側(cè)向剛度和抗扭剛度，能承受各種橫向荷載。

上、下平縱聯(lián)均采用X形式，與弦桿在節(jié)點(diǎn)處相連，桿件斷面均采用H型鋼；橫聯(lián)每隔兩個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一道，橋門架采用箱型閉合焊接截面，中橫聯(lián)采用H型截面。

（3）橋面系

橋面系是由橫梁、次橫梁及縱梁構(gòu)成的梁格系，橋面系以上部分荷載由橋面板傳至縱、橫梁，再由橫梁通過節(jié)點(diǎn)傳遞至桁架桿件。

均采用工型截面，縱梁梁高400mm，橫向間隔2m，共設(shè)6道；橫梁梁高800mm，順橋向沿節(jié)點(diǎn)共設(shè)9道，橫梁采用高強(qiáng)螺栓與主桁連接。

（4）橋面板

橋面板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚18cm，與橋面系縱、橫梁相交處設(shè)置承托，板厚增至25cm。鋼縱、橫梁上翼緣頂面設(shè)置圓柱頭焊釘連接件，與橋面板通過預(yù)留的接縫現(xiàn)澆混凝土相連。

本橋采用的鋼-混組合行車道系具有橋面恒載小，吊裝重量輕、建筑高度低、橋面系剛度大等優(yōu)點(diǎn)。

4.2結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）主桁計(jì)算

計(jì)算分別采用面內(nèi)平面桿系和整體空間桿系兩種建模方法進(jìn)行有限元分析。平面模型采用橋梁博士進(jìn)行計(jì)算，活載的橫向分布系數(shù)按杠桿原理計(jì)算，沖擊系數(shù)取1+15/（37.5+L）；空間模型采用MIDAS-Civil程序建模分析，將鋼桁架和縱橫梁離散為梁?jiǎn)卧?，不考慮橋面板參與作用（后文做專項(xiàng)對(duì)比分析），兩種方法的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見下表。

（2）主桁節(jié)點(diǎn)計(jì)算

節(jié)點(diǎn)計(jì)算主要包括桿件連接計(jì)算與節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度檢算。

（1）桿件連接計(jì)算

主桁桿端連接螺栓的個(gè)數(shù)與弦桿拼接螺栓的個(gè)數(shù)均采用承載能力計(jì)算，對(duì)聯(lián)接系等不承受活載的桿件以及受活載影響較小的次要桿件，連接螺栓按桿件內(nèi)力計(jì)算。

（2）節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算

目前對(duì)節(jié)點(diǎn)板計(jì)算尚無(wú)比較簡(jiǎn)便的精確計(jì)算方法，在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板時(shí)，首先按照經(jīng)驗(yàn)確定節(jié)點(diǎn)板的厚度，再根據(jù)釘孔布置確定節(jié)點(diǎn)板的外形及尺寸，最后采用近似方法檢算。驗(yàn)算的內(nèi)容包括根據(jù)判斷的可能破裂面對(duì)應(yīng)的進(jìn)行：節(jié)點(diǎn)板撕破強(qiáng)度檢算、節(jié)點(diǎn)板中心豎直截面的法向應(yīng)力檢算、節(jié)點(diǎn)板水平截面的剪應(yīng)力檢算。

（3）橋面系與橋面板計(jì)算

本次設(shè)計(jì)直接利用MIDAS模擬下弦桿、縱梁、橫梁組成的空間梁格系，按最不利的加載位置求出最大設(shè)計(jì)內(nèi)力，這里需要注意的是縱、橫梁構(gòu)件的截面宜按照鋼-混組合梁進(jìn)行使用階段的鋼梁上下緣應(yīng)力、混凝土翼板壓應(yīng)力、撓度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性（整體與局部）驗(yàn)算，對(duì)縱橫梁上的剪力鍵焊釘數(shù)量確定最好采用彈性分析法與塑性分析法對(duì)比計(jì)算；橋面板按照多跨連續(xù)板計(jì)算跨中和支點(diǎn)配筋，滿足現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范即可。

（4）聯(lián)結(jié)系計(jì)算

聯(lián)結(jié)系的計(jì)算思路同橋面系，但是計(jì)算荷載只考慮橫向力與水平向力。在構(gòu)造上由于平縱聯(lián)與主桁上、下弦桿之間可以傳遞位移，這會(huì)在斜桿內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)大的內(nèi)力，計(jì)算中這個(gè)力不能忽略，這一點(diǎn)在公路與鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中均有比較精確的計(jì)算公式。

（5）預(yù)拱度

預(yù)拱度的設(shè)置是下承式簡(jiǎn)支鋼桁架橋在設(shè)計(jì)與拼裝過程中需要關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)，預(yù)拱度值的計(jì)算方法在公路與鐵路鋼橋規(guī)范中都是一致的，即預(yù)拱度值f=恒載撓度值+1/2靜活載撓度值（不計(jì)沖擊），預(yù)拱度一般做成圓弧形，圓弧半徑可通過上式計(jì)算確定的預(yù)拱度值f或者上弦桿每個(gè)節(jié)長(zhǎng)的延伸量△（結(jié)合相應(yīng)材質(zhì)、對(duì)應(yīng)溫度的線膨脹系數(shù)取值）來反推，習(xí)慣上取拱值偏大的做法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文扼要的介紹了泗陽(yáng)一二三線船閘橋的構(gòu)造與設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)比了適用于該橋型的不同計(jì)算方法，為今后同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供了參考。

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